Новая оптическая технология микрочипов

Новая технология микрочипов, способная оптически передавать данные, может решить серьезную проблему существующих устройств, ускоряя передачу данных и сокращая потребление энергии на порядок.

Новая технология микрочипов, способная оптически передавать данные, может решить серьезную проблему существующих устройств, ускоряя передачу данных и сокращая потребление энергии на порядок.

Исследователи из Бостонского университета, Массачусетского технологического института, Калифорнийского университета в Беркли и Университета Колорадо Боулдер разработали метод изготовления кремниевых микросхем, которые могут взаимодействовать со светом и не стоят дороже современной технологии чипов.

Результатом стала кульминация проекта на протяжении нескольких лет, финансируемого Агентством перспективных исследований обороны, который тесно сотрудничал между командами во главе с доцентом Владимиром Стояновичем из Калифорнийского университета Беркли, профессором Радживом Рамом из Массачусетского технологического института и доцентом Милошем Поповичем Бостонского университета. Они сотрудничали с исследовательской группой по производству полупроводников в колледжах Nanoscale Science and Engineering (CNSE) Государственного университета Нью-Йорка в Олбани.

Световая связь остаётся в качестве одного из единственных вариантов для дальнейшего технологического прогресса. Традиционный метод передачи данных – электрические провода – имеет ограничение на то, насколько быстро они могут передавать данные. Этот метод также использует много энергии и генерирует тепло.

«Вместо одного провода, несущего от 10 до 100 гигабит в секунду, вы можете иметь одно оптическое волокно, имеющее пропускную способность от 10 до 20 терабит в секунду, – примерно в тысячу раз больше в том же объеме», – говорит Попович.

«Если вы замените провод оптическим волокном, вы можете получить два преимущества», – говорит он. «Во-первых, с помощью света вы можете отправлять данные на гораздо более высоких частотах без существенной потери энергии, чем по средством медной проводки. Во-вторых, с оптикой вы можете использовать множество разных цветов света в одном волокне, и каждый может переносить канал свой данных. Волокна также могут быть упакованы более тесно, чем медные провода без перекрестных помех».

Раньше прогресс в интеграции фотонной способности на современные чипы, которые используются в компьютерах и смартфонах, был затруднен ограниченными производственными технологиями. Производство современных процессоров обеспечиваются высокоразвитыми промышленными процессами производства полупроводников, способными штамповать миллиарды транзисторов, которые работают вместе на одном чипе. Но эти производственные процессы точно настроены, и разработка подхода к включению оптических устройств на микросхемах при сохранении текущих электрических возможностей неповрежденным оказалась сложной задачей.

Первый крупный успех в преодолении этого препятствия был в 2015 году, когда одна и та же группа исследователей опубликовала еще одну статью в Nature, которая решила эту проблему, но сделала это в ограниченной коммерческой области. В документе продемонстрирован первый в мире микропроцессор с возможностью передачи фотонных данных и подход к его производству без изменения первоначального производственного процесса – концепция, которую исследователи назвали технологией смены нуля. Ayar Labs, Inc., стартап, в котором Рам, Попович и Стоянович были соучредителями, недавно сотрудничали с крупным производителем полупроводниковой промышленности GlobalFoundries для коммерциализации этой технологии.

Однако этот предыдущий подход был применим к небольшой части современных микроэлектронных микросхем, которые не включали наиболее распространенный вид, который использует исходный материал, называемый объемным кремнием.

В новой статье исследователи представляют производственное решение, применимое даже к самым коммерчески распространенным чипам на основе объемного кремния, путем введения набора новых слоев материала в фотонной части обработки кремниевого чипа. Работая с самыми современными специалистами в области производства полупроводников на CNSE Albany, чтобы разработать это решение, ученые гарантировали, что любой процесс, который был разработан, может быть легко вставлен в текущее промышленное производство.

«Тщательно исследуя и оптимизируя свойства дополнительных слоев материала для фотонных устройств, нам удалось продемонстрировать современную производительность на уровне системы с точки зрения плотности полосы и потребления энергии, начиная с гораздо менее дорогостоящего процесса по сравнению с конкурирующих технологий », – говорит Фабио Паванелло, бывший докторант из исследовательской группы Поповича, который является одним из первых авторов статьи.

«Для достижения этого результата в течение нескольких лет нам потребовалось сотрудничество в трех разных группах по разным дисциплинам», – добавляет Атабаки.

Новая платформа, которая привносит фотонику в современные микросхемы на основе кремния, обещает более быструю и эффективную коммуникацию, которая может значительно улучшить вычислительные и мобильные устройства. Приложения, выходящие за рамки традиционной передачи данных, включают в себя ускорение обучения искусственным нейронным сетям глубокого обучения, используемым в задачах распознавания изображений и речи, а также недорогие инфракрасные датчики LIDAR для автономных автомобилей, идентификации лиц смартфонами и технологии дополненной реальности. Кроме того, оптические микрочипы могут включать новые типы защиты данных и аппаратную аутентификацию, более мощные чипы для мобильных устройств, работающих в беспроводных сетях 5-го поколения (5G), и компоненты для квантовой обработки и обработки информации.

«Для самых современных и будущих технологий производства полупроводников с электронными размерами транзисторов ниже 20 нм нет другого способа интегрировать фотонику, чем этот подход», – заключил Владимир Стоянович, чья команда возглавила часть работы. «Все слои материала, используемые для формирования транзисторов, становятся слишком тонкими для поддержки фотоники, поэтому необходимы дополнительные слои». опубликовано econet.ru  Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet